대단한 지구여행 - 초(秒) 지구는 1초의 오차도 허용치 않는다

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대단한 지구여행 - 초(秒) 지구는 1초의 오차도 허용치 않는다

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hanjy9713

2024.01.11. 02:55조회 2

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대단한 지구여행

초(秒)

지구는 1초의 오차도 허용치 않는다

시각과 시각 사이의 간격을 나타내는 단위로 ‘초’가 가장 기본으로 사용된다. 그러므로 1분, 1시간, 하루, 1년도 ‘1초’가 기준이다. ‘초’라는 시간 단위도 하나의 물리량으로서 길이 및 질량 단위와 함께 기본 단위로 사용된다. CGS단위계1)와 MKS단위계2)에서도 다 같이 초가 기본으로 사용된다. 1초가 얼마나 중요한가는 100m 달리기를 할 때 보면 알 수 있다. 그 때는 1초가 아니라 0.001초까지 정밀히 측정해야 한다. 0.001초 때문에 세계 챔피언이 되고 못 되는 갈림길에 서기 때문에 당사자뿐 아니라 그들이 속한 나라에서는 희비가 엇갈릴 만큼 중요하다.

국제단위계(SI)의 7가지 기본 단위 가운데 하나인 초는 1956년 국제도량형위원회가 기준년을 1,900년으로 하고 지구가 태양을 한 바퀴 도는데 걸리는 시간(1년)으로 정의했다. 즉, 1태양년3)이 약 31,556,926초가 된다는 의미이다. 이것을 분(60), 시간(60), 일(24)로 나누면 태양력상 1년의 평균값은 365.2422일(365일 5시간 48분 46초)이 된다. 그러므로 1일은 지구가 자전축에 대하여 1회전하는 평균 주기(86,400초)라고 이해하면 된다. 그러나 지구 자전 속도가 일정하지 않다는 것을 알게 되자, 절대적 기준으로 사용하기는 어려워졌다. 즉 지구에서 일어나는 조석 마찰, 중심핵의 운동, 계절적인 기상 현상 등으로 지구 회전 주기에 미세한 변화가 발생하는데, 이것을 인위적으로 조정할 수가 없기 때문에 과학자들은 다른 방안을 찾게 되었다.

과학이 발달함에 따라 분자나 원자가 흡수 또는 방출하는 에너지량이 일정한 진동 주기를 갖는다는 것을 알게 되었다. 1958년 미국국립물리연구소와 해군 천문대는 마이크로파에 의해 자극을 받는 세슘 133 원자에서 방출된 복사의 진동수를 결정하는 실험을 수행했는데, 이때 세슘(Cs)의 초미세 전이(Hyperfine transition)가 규칙적임을 확인하였다. 그리고 바닥 상태(基底狀態)에 있는 두 개의 초미세 에너지 준위 사이의 전이진동(轉移振動)에서 방출되는 복사선이 약 92억번 진동하는 시간을 1초로 정했다. 그 후 1967년 국제도량형총회에서 이것을 국제 시간의 기준으로 채택하였으며 원기는 독일의 본에 있다.

세슘 원자시계(Atomic clock, Cesium clock)는 오차가 거의 없어 1,000년에 0.003초 이하밖에 차이가 나지 않는다고 한다. 그래서 세계적으로 실험실이나 관측소에서 많이 운용 중이다. 또한 항공기와 각국의 관제소 사이에 많이 이용되고 있으며, 지구를 돌고 있는 GPS 위성에도 탑재되어 있다. 그러나 과학자들은 이에 만족하지 않고, 진동수가 약 14억 번인 수소 메이저(불연속 마이크로파원)로 조절되는 시계, 루비듐(Rubidium) 원자를 바탕으로 한 시계, 수정 시계 등도 만들었다. 그러나 이것들 모두 세슘 시계만큼 정확하지는 않았다고 한다.

1919년 브뤼셀에서 열린 국제 학술회의에서 각국이 독립적으로 사용하던 표준시를 통일하자는 제안에 따라 국제시보국(Bureau International de l’heure)을 파리 천문대4) 내에 설립하였다. 이 기구는 시간 단위의 확립 및 시각의 국제적 통일을 주 임무로 하고 있다. 또 각국이 독립적으로 사용하는 시를 통합 조정하여 더욱 정밀도 높은 국제 원자시를 확정ㆍ공표하였는데, 특히 초 단위부터 국제적으로 통일 유지시키는 일을 하고 있다. 그래서 협정세계시5)를 도입하였으며, 1958년 1월 1일에 국제원자시(TAI)와 협정세계시를 일치시켰다. 그러나 지구 자전 속도가 느려지거나 빨라지기 때문에 원자시계와 협정세계시 사이에 벌어진 간격을 맞추기 위하여 1년에 1, 2회 필요에 따라 윤초를 실시하고 있다.

윤초
지구 자전 속도와 원자시계의 차이(1초)를 윤초(閏秒, leap second)라고 하는데 이는 지구 자전 속도가 불규칙한 데서 비롯되었다. 국제협정에 의하여 인위적으로 유지되고 있는 협정세계시(協定世界時, Universal Time Coordinated; UTC)와 영국의 그리니치 천문대를 통과하는 자오선을 기준으로 삼은 세계시(世界時, Universal Time; UT)가 차이 날 때 조정하는 것이다. 윤초는 ±0.9초 이내에서 관리하기 위하여 조정하는데, 필요에 따라 12월과 6월 또는 3월과 9월 말일의 최종 초 뒤에 윤초(1초)를 삽입하거나 삭제한다.
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즉 지구의 자전이 늦어져 협정세계시가 빨라지는 경우에는 협정세계시의 23시 59분 59초 다음에 1초를 삽입하는 양(陽)의 윤초가 실시되고, 그와는 반대로 지구의 자전이 빨라져 협정세계시가 늦어지면 음(陰)의 윤초로 조정하도록 되어 있다. 윤초가 처음 도입된 1972년 이후 지금까지 24회 적용하였으며, 가장 최근에는 2008년 12월 31일 오후 11시 59분 59초(UTC)에서 2009년 1월 1일 0시(UTC)로 넘어갈 때 적용하였다. 참고로 그리니치 평균태양시(Greenwinch Mean Time; GMT)는 용어상 혼동을 없애기 위하여 세계시라고 부르는데, 협정세계시와는 다르다.
[네이버 지식백과] 초(秒) - 지구는 1초의 오차도 허용치 않는다 (대단한 지구여행, 2011. 8. 1., 윤경철)